一种TBM搭载的聚焦测深型三维激发极化超前探测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种搭载于TBM系统上的聚焦测深型三维激发极化法探测系统及方法，包括电极系、电极伸缩装置、多路回转装置、电缆系统和激发极化探测仪器；电极系安装于TBM刀盘、护盾、台车与隧道边墙上，其中刀盘、护盾与台车上电极通过电极伸缩装置搭载于TBM上。激发极化探测仪器控制电极伸缩装置实现电极的自动伸缩控制、伸缩状态检测与接触状态检测，采用多路回转装置实现测量信号、液压油路、刀盘水路的不间断回转，实现激发极化探测系统与TBM的搭载集成。本发明专利技术解决了TBM施工隧道突水突泥灾害源激发极化超前探测难题，具有自动化测量程度高、安全快速可靠的优势，可以对掌子面前方的含水体进行三维反演成像，满足TBM施工隧道安全高效施工需求。

A focused depth sounding 3D preexcitation detection system and method based on TBM

The invention discloses a focused bathymetric three-dimensional induced polarization detection system and method mounted on a TBM system, including an electrode system, an electrode telescopic device, a multi-channel rotary device, a cable system and an induced polarization detection instrument; the electrode system is installed on a TBM cutter head, a shield, a trolley and a tunnel side wall, in which a cutter head and a shield are included. The upper electrode of the trolley is mounted on the TBM through the electrode expansion device. Induced polarization detection instrument controls electrode telescoping device to realize automatic telescoping control, telescoping state detection and contact state detection of electrodes. Multi-channel rotary device is used to realize uninterrupted rotation of measuring signal, hydraulic oil circuit and cutter head water circuit, and to realize the integration of induced polarization detection system and TBM. The invention solves the problem of advanced detection of induced polarization of water inrush and mud inrush hazard source in TBM construction tunnel, has the advantages of high degree of automation, safety, fast and reliable, and can carry out three-dimensional inversion imaging of water-bearing body in front of the palm, so as to meet the requirement of safe and efficient construction of TBM construction tunnel.

【技术实现步骤摘要】
一种TBM搭载的聚焦测深型三维激发极化超前探测系统及方法
本专利技术涉及TBM施工隧道聚焦测深型三维激发极化超前预报领域，尤其涉及一种TBM搭载的聚焦测深型三维激发极化法探测系统及方法。
技术介绍
在隧道施工过程中，TBM施工方法具有掘进速度快、安全文明、综合经济效益高等优势，被越来越多选用；然而TBM对地层的适应性较差，一旦遭遇断层破碎带、裂隙密集带、岩溶含水体、软弱地层、暗河等不良地质条件，经常诱发塌方、突水突泥、大变形等严重灾害事故，造成TBM刀具异常磨损、刀盘损坏，影响掘进效率和施工进度，甚至会出现机毁人亡、工程报废等灾害性后果。为了避免上述灾害和事故的发生并保障隧道施工安全，迫切需要提前探明隧道掌子面前方的地质构造情况，并根据前方的地质情况制定合理的处理措施，及时调整施工方案。因此，开展超前地质预报工作提前探明TBM前方的突水突泥灾害源，对保障TBM安全施工具有重要作用。TBM施工环境与钻爆法隧道和地面相比复杂的多。首先，TBM占据了绝大部分隧道空间，超前探测可用的观测空间十分有限；其次，TBM拥有复杂的电气系统和金属结构，电磁干扰极为严重。钻爆法和地面常用的地球物理探测方法无法直接搬到TBM隧道中。另外，TBM与盾构机在结构和施工环境上存在本质的差别，TBM适用于硬岩掘进的工程，一般用在山岭隧道或大型引水工程，而盾构机适用于软岩、土层的隧道的挖掘，一般用在城市地铁及小型管道工作环境中。TBM与盾构机在开挖方式、结构型式、施工方法上存在较大差异，用于盾构机的探测系统也不能简单的移植到TBM施工环境。因此，对于TBM施工复杂环境，亟需提出并设计一种适用于TBM环境的新型超前探测系统。激发极化法是一种有效探测含水体等突水突泥灾害源的地球物理探测方法，一种用于TBM隧道的便携式的电法超前探测系统，采用人工的方式通过TBM滚刀刀孔将探测电极布置在掌子面，由于TBM施工环境复杂、刀盘内空间狭小，在刀盘内安装掌子面电极操作不便，滚刀刀孔被碎渣堵塞时甚至无法探测。德国研发的BEAM(Bore-TunnelingElecticalAheadMonitoring)技术是一种聚焦激发极化探测，该方法采用护盾等作为屏蔽电极，依靠测量结果与隧道里程的曲线推断含水情况，探测距离小，且无法实现测深，无法获得TBM掌子面前方地质情况的三维成像。因此，亟需研制一种搭载于TBM上自动化程度高、可对含水体三维成像的聚焦测深型激发极化探测系统，由于TBM施工环境和机械设备的复杂性，一种TBM搭载的聚焦测深型三维激发极化法超前探测系统及方法主要面临以下难题：(1)TBM施工环境复杂、电磁干扰严重，设计一种聚焦测深型的观测模式是首要问题，既能压制TBM机械的干扰，又可以提高探测距离。(2)TBM刀盘占据掌子面空间，且刀盘前方岩渣、水等极易损坏电极，掌子面上电极的布置及保护是一个关键难题，亟需研发一种具有电极状态自动检测、电极保护装置的自动伸缩电极系统。(3)TBM施工速度快，边墙上依靠钻孔布设供电电极效率较低，严重影响TBM施工工序，亟需研制一种非钻孔的供电电极快速安装固定装置。(4)TBM施工刀盘是旋转的，电极、伸缩油缸等搭载在刀盘上，刀盘上电极测量信号和液压油路向刀盘后方传输是本专利技术面临的又一难题，需要研制一种同时换转多路测量信号、液压油路与刀盘水路的多功能回转装置。(5)由于TBM施工环境温度高、空气湿度大等，聚焦测深激发极化设备需要具备自动控温、自动控湿的仪器，满足TBM施工复杂环境高精度测量的需要。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术提出一种TBM搭载的聚焦测深型激发极化法探测系统及方法，基于聚焦测深型观测模式压制掌子面后方TBM干扰，同时提高探测距离，实现电极的自动伸缩控制、伸缩状态检测与接触状态检测，采用多路回转装置实现测量信号、液压油路、刀盘水路的不间断回转，从而实现了激发极化探测系统与TBM的搭载集成，具有自动化测量程度高、安全快速可靠的优势，可以对掌子面前方的含水体等不良地质进行三维反演成像，保障TBM的高效安全施工。为实现上述目的，本专利技术的具体方案如下：在一个或多个实施方式中公开的一种TBM搭载的聚焦测深型三维激发极化法探测系统，包括：电极系、电极伸缩装置和激发极化探测仪器；所述电极系包括测量电极M、供电电极A、无穷远电极B极和无穷远电极N极，所述无穷远电极B极和无穷远电极N极安装在隧道边墙上，所述测量电极M和供电电极A分别通过电极伸缩装置搭载于TBM上；所述激发极化探测仪器控制电极伸缩装置驱动测量电极M和供电电极A的伸缩。进一步地，所述供电电极A包括：供电电极A1和供电电极A0，所述供电电极A0安装在刀盘上，所述供电电极A1安装在TBM护盾和/或台车上。进一步地，所述供电电极A1安装在台车上时，驱动供电电极A1伸缩的电极伸缩装置通过球铰与固定在台车上的立柱连接。进一步地，所述电极系还包括：N1电极，所述N1电极安装在TBM刀盘上；通过检测N1电极与供电电极A0之间的电阻实现TBM刀盘上供电电极A0伸缩状态的检测。进一步地，所述测量电极M安装在TBM刀盘上，所述电极系还包括：N1电极，所述N1电极安装在TBM刀盘上；通过检测N1电极与测量电极M之间的电阻实现TBM刀盘上测量电极M伸缩状态的检测。进一步地，通过测量接触围岩的测量电极M与无穷远电极N之间电阻值，确定测量电极M与围岩的接触状态是否良好；通过测量接触围岩的供电电极A与无穷远电极B之间电阻值，确定供电电极A与围岩的接触状态是否良好。安装在刀盘上的测量电极和供电电极A0均采用柔性接触电极，包括：金属外壳、绝缘底座、接线柱和柔性接触端头，所述绝缘底座位于电极后端底部的凹槽内，凹槽外部由金属外壳包裹，绝缘底座与电极伸缩装置连接，并在绝缘底座中间预留有用于安装接线柱的连接孔，接线柱能够通过所述连接孔与电缆系统连接。安装在护盾和/或台车上的供电电极A1采用柔性接触电极，包括：绝缘电极外套、金属外壳、绝缘底座、接线柱和柔性接触端头；所述绝缘底座位于电极后端底部的凹槽内，凹槽外部由金属外壳包裹，金属外壳外套有绝缘电极外套，绝缘底座与电极伸缩装置连接，并在绝缘底座中间预留有用于安装接线柱的连接孔，接线柱能够通过所述连接孔与电缆系统连接。进一步地，所述电极伸缩装置采用液压驱动实现电极自动伸缩；液压油缸控制阀接收激发极化探测仪器的指令，控制液压油缸驱动油缸杆伸缩，从而带动与油缸杆连接的电极的伸缩。进一步地，所述电极伸缩装置还包括：电极密封装置，所述电极密封装置包括：设置在油缸杆上的密封装置以及设置在电极开口处的挡块，所述密封装置在电极伸出时随油缸杆一起运动，当密封装置运动到所述挡块位置时被挡块阻挡，所述密封装置与所述挡块配合实现电极与液压油缸之间空隙的密封。进一步地，在电极开口的外部设置用于保护刀盘或护盾的凸起结构。进一步地，还包括：多路回转装置；所述多路回转装置包括：多路回转接头以及设置在所述多路回转接头上的快插接头和/或多芯插头；所述多路回转接头包括：至少两层同心回转管以及设置在所述同心回转管外层的若干个电滑环。在一个或多个实施方式中公开的一种TBM搭载的聚焦测深型三维激发极化法探测方法，包括：分别控制搭载在TBM上的测量电极M和供电电极A伸出，并与围岩接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TBM搭载的聚焦测深型三维激发极化法探测系统，其特征在于，包括：电极系、电极伸缩装置和激发极化探测仪器；所述电极系包括测量电极M、供电电极A、无穷远电极B极和无穷远电极N极，所述无穷远电极B极和无穷远电极N极安装在隧道边墙上，所述测量电极M和供电电极A分别通过电极伸缩装置搭载于TBM上；所述激发极化探测仪器控制电极伸缩装置驱动测量电极M和供电电极A的伸缩。

【技术特征摘要】
1.一种TBM搭载的聚焦测深型三维激发极化法探测系统，其特征在于，包括：电极系、电极伸缩装置和激发极化探测仪器；所述电极系包括测量电极M、供电电极A、无穷远电极B极和无穷远电极N极，所述无穷远电极B极和无穷远电极N极安装在隧道边墙上，所述测量电极M和供电电极A分别通过电极伸缩装置搭载于TBM上；所述激发极化探测仪器控制电极伸缩装置驱动测量电极M和供电电极A的伸缩。2.如权利要求1所述的一种TBM搭载的聚焦测深型三维激发极化法探测系统，其特征在于，所述供电电极A包括：供电电极A1和供电电极A0，所述供电电极A0安装在刀盘上，所述供电电极A1安装在TBM护盾和/或台车上。3.如权利要求2所述的一种TBM搭载的聚焦测深型三维激发极化法探测系统，其特征在于，所述供电电极A1安装在台车上时，驱动供电电极A1伸缩的电极伸缩装置通过球铰与固定在台车上的立柱连接。4.如权利要求2所述的一种TBM搭载的聚焦测深型三维激发极化法探测系统，其特征在于，所述电极系还包括：N1电极，所述N1电极安装在TBM刀盘上；通过检测N1电极与供电电极A0之间的电阻实现TBM刀盘上供电电极A0伸缩状态的检测。5.如权利要求1所述的一种TBM搭载的聚焦测深型三维激发极化法探测系统，其特征在于，所述测量电极M安装在TBM刀盘上，所述电极系还包括：N1电极，所述N1电极安装在TBM刀盘上；通过检测N1电极与测量电极M之间的电阻实现TBM刀盘上测量电极M伸缩状态的检测。6.如权利要求1所述的一种TBM搭载的聚焦测深型三维激发极化法探测系统，其特征在于，通过测量接触围岩的测量电极M与无穷远电极N极之间电阻值，确定测量电极M与围岩的接触状态是否良好；通过测量接触围岩的供电电极A与无穷远电极B极之间电阻值，确定供电电极A与围岩的接触状态是否良好。7.如权利要求1所述的一种TBM搭载的聚焦测深型三维激发极化法探测系统，其特征在于，所述电极伸缩装置采用液压驱动实现电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：李术才，刘斌，聂利超，李尧，马钊，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37